河北工程大学材料力学实验.doc
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1、材料力学实验赵亚军 王二成 刘俊生 许杨健 编河 北 工 程 大 学 教 务 处2011年3月前 言材料力学实验是材料力学课程教学的一个重要环节,材料力学中的结论、定理和材料的机械性质,都需要通过试验来验证或测定.实际工程中,一个课程的理论分析和计算不论如何严密和精确。如果不通过实验加以验证,那么课题的成果是不完整的,使用单位是难以认同的.当前,冶金、机制、建筑、交通、航空等各个领域对于结构的尺寸和重量的要求日趋严格;对于新型耐用材料的需求日趋迫切。与之相应的科研成果能否迅速投入使用,往往需要通过必要的力学实验来取得第一手资料。可以说力学实验往往是有关科研成果转化为生产里的重要环节.目前我国对
2、外开放政策,先进技术和大型设备不断引进.为维护国家利益和民族尊严,对外来设备应当一丝不苟的进行验收。对不符和技术要求和出现事故的技术设备进行索赔。验收和索赔必须以强有力的实验资料为说理的依据。因此有关的力学实验比如结构的应力测定、材料机械性质的测定等等往往是比不可少的。根据结构的情况和实际的设备条件来组织和进行有关的力学实验,是科研工作者和工程师必备的一种能力。所以材料力学实验是各类工程专业学生所必须掌握的技能之一.材料力学实验包括以下三方面内容:一、材料力学的机械(力学)性质试验材料力学公式只能算出在外载荷作用下构件内应力的大小。为了建立强度条件必须了解材料的强度、刚度、韧度等特性,这就需要
3、通过拉伸、压缩、扭转、冲击、疲劳等试验来测定材料的强度极限。弹性摸量、疲劳极限等力学参数。从而为设计计算和理论分析提供不可缺少的依据.通过这类实验,可以进一步巩固有关材料机械性质的概念,增加感性认识,掌握测定材料特性数值的实验方法。二、验证理论的实验材料力学中的一些公式都是在简化和假设的基础上(平面假设,材料均匀性、弹性和各项同向性假设)推导。事实上材料的性质往往跟完全均匀和完全套性是有差异的,因此,必须通过实验对根据推导公式加以验证,才能确定公式的使用范围。此外对一些近似解答,其精确度也必须通过实验校核后才能在工程设计中使用。梁的弯曲实验、工字梁实验等均属于这类实验。其目的巩固和深刻理解课堂
4、中所学的概念,并学会一般验证理论的实验方法。三、应力分析实验工程上很多实验工件的受力情况,无法用材料力学公式进行计算,近年来虽然可以用有限元法计算,但也要经过适当简化才有可能,对用有限元法计算结果的精确性,也要通过实验应力分析加以验证。此外零件设计中的应力集中系数的确定,机器和建筑结构使用时的应力实测等,均靠实验应力分析的方法,本书中的电测法、光弹性法均属这类实验。通过这些实验,初步掌握应力测量的基本方法,同时也将培养运用理论确定实验方法,分析实验现象的能力,从而扩大和提高解决实验问题的手段和能力.为真正提高学生综合运用知识能力、动手能力、创新能力,材料力学实验引入CDIO工程教育理念。CDI
5、O代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)四个过程,再将实验内容加上工程背景,让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程.将各种知识综合运用、设计实验过程、分析实验结果,通过这些具有工程背景的综合性、设计性实验,全面提高学生综合素质.为了作好材料力学实验,在进行实验时,需要注意下列事项:一、作好课前预习及准备工作课前预习,首先应明确实验的目的、原理和步骤,然后根据实验目的及设备条件初步确定进行实验的具体方法,例如实验时能加多大载荷,如何测量变形等.此外还需设计记录表格以备实验时记录数据之用。在进行实验时,要同时测量力与变
6、形,因此,要小组集体完成实验,所以实验时小组成员应分工明确,操作要相互协调,才能得到较好的实验结果。二、进行实验在正式开始实验前,要检查试验机测力度盘指针是否对准零点,变形仪是否安装稳妥,试件装置是否正确等。最后还应请指导教师检查,教师检查无误后方可开动机器。第一次加载,可不记录(不允许重复加载的除外),观察各部变化是否正常,如果正常再正式加载并开始记录。此时,记录者及操作者均许严肃认真,一丝不苟的进行实验。实验完毕,要查数据是否齐全,并注意清理设备,把借用的一起归还原处。三、对实验报告的要求材料力学实验报告应当包括以下基本内容:1、实验名称、实验日期、当时的温度、实验者及组员姓名。2、实验目
7、的。3、实验设备:应注明所用之设备、仪器、仪表的名称、型号、精度(或放大倍数)、量程等等。其它用具也要写清。4、实验数据处理:实验数据应列表表示,表格应填写清楚,注明测量单位.此外,还要注意仪器本身的精度和有效数字。5、计算:在材料力学实验中,用小型计算机或计算器及可。但需注意有效数字的运算法则。免得计算或记录过多的位数,浪费时间。在一般材料力学实验中,可选三位有效数字.在计算中,过用到的公式,均须注明列出,并注明公式中各种符号所代表的意义.6、结果的表示:在实验中对测得的数据进行整理并计算实验结果,需符合实验数据处理方法的要求,一般还要采用图表或曲线来表示实验的结果。曲线均应绘在方格纸上.图
8、中应注明坐标系所代表的物理量和比例尺。实验的坐标点应当用记号标出,例如,“”“”“”等等。当连接曲线时不要用直线逐点连接成折线,应当根据多数点的所在位置,描绘出光滑的曲线。7、讨论:在报告最后部分应当对实验结果举行分析,说明实验的优缺点,主要结果是否正确,并对误差加以分析,还要回答教师指定的思考题。目 录前 言(一)万能试验机(1)(二)拉伸实验(4)(三)压缩实验(9)(四)球铰式引申仪(11)(五)拉伸时金属材料弹性模量的测定(14)(六)扭转试验机(17)(七)扭转试验(22)(八)电阻应变仪操作练习(26)(九)纯弯梁正应力测定(28)(十)空心圆轴主应力测定(30)(十一)光弹性的演
9、示实验(32)(十二)冲击试验(34)(十三)疲劳实验(37)(十四)冷弯试验(41)(一)万能试验机一、微机控制电子式万能试验机试验机采用调速精度高、性能稳定的交流伺服系统和交流伺服电机作为驱动系统。试验力测量范围0100kN,调速范围0。005-500mm/min,测力分辨率为满量程范围的0.001。具有量程自动转换、实验过程力值实时显示、峰值保留等功能。该试验机实现了恒试验力、应力速率及恒变形、应变速率的闭环控制,具有实验过程控制模式智能设置专家系统.实现了试验力、位移、变形和试验曲线的屏幕显示,同时具备试验条件、试验结果的计算机存储和文件操作功能。试验机由三部分组成:加力部分、测力部分
10、和记录、处理部分。如图1-1所示。图11 微机控制电子式万能试验机试验机使用规程:1、点击winwdw图标进入应用程序界面,合上变压器,并点击遥控盒上的启动按钮。2、在软件的控制参数中选择是否用引申计,在数据处理参数设置中选择试验方法。3、建立试样信息。4、上夹紧试样,调节好下夹紧的位置(调节位置时用50mm/min的速度)。5、选择负荷档位(一般是100kN)负荷清零,峰值清零,然后再下夹紧。6、如用引伸计装上引伸计(变形选择12.5mm这个档位),变形清零.7、选择试验速度(一般是2mm/min)点击开始,选择曲线种类。8、试样断裂后保存数据,点击试验分析,选择要计算的数据,打印报告。试验
11、机注意事项:1、如果出现紧急状况及时按下红色急停按钮。2、不管什么时候一定要先开软件再开主机,先关主机再关软件。二、液压式万能试验机(一)构造原理液压式万能试验机是最常用的一种试验机。类型很多,但一般只是外型不同,基本原理是一样的。其构造原理如图12所示。图12液压式万能试验机1加载部分在机器底座上,装有两个固定立柱,它支承着固定横头和工作油缸4。开动油泵电动机带动油泵工作,将油液从油箱经油管()和送油阀进入工作油缸,从而推动工作油缸活塞、上横头7、活动立柱和活动台上升。若将试件两端装夹在上下夹头10和11中,因下夹头固定不动,当活动台上升时试件就承受拉力。若把试件放在活动台上、下垫板12之间
12、,当活动台上升到试件与上垫板接触时试件就承受压力。输油管路中的送油阀门用来控制进入工作油缸中的油量,以调节对试件加载的速度。加载时回油阀置于关闭位置。回油阀打开时,则可将工作油缸中的油液泄回油箱,活动台由于自重而下降,回到原始位置.如果拉伸试件的长度不同,可用下夹头电动机(或人力)转动底座中的蜗轮,使螺柱上下移动,调节下夹头位置。注意:当试件已经夹紧或受力时,不能再开动下夹头电动机,否则就要造成用下夹头对试件加载,以致损伤机件.活动台的行程对拉伸和压缩区间都有规定,使用者必须遵守。2 测力部分加载时,工作油缸中的油压推动活塞的力与试件所受的力成正比。如果用油管(2)将工作油缸和测力油缸14联通
13、,此油压便推动测力活塞15向下移动,使拉杆拉动摆锤16,使之绕支点转动而抬起,同时摆上的推杆便推动齿杆17,使齿轮和指针18旋转.指针的旋转角度与油压成正比,亦与试件上所加载荷成正比,因此,在测力度盘19上,便可读出试件受力的大小.如果增加或减少摆锤的重量,指针虽然旋转同一角度,但所需的油压不同。这说明指针虽在同一位置,但所示出的载荷大小与摆锤的重量有关。一般试验机可以更换三种摆锤它相应地有三种刻度的测力度盘,分别表示三种测力范围。例如WE600型(图1)万能试验机有三种度盘,分别为0120KN、0300KN、0600KN。实验时,为了保证测量载荷的精度,要根据试件事先估算的载荷大小来选择合宜
14、的测力度盘,并在摆杆上放置相应重量的锤重.通常摆锤由大到小编为A、B、C三种号码。加载前,应调整测力指针对准度盘上的零点。方法是开动油泵电动机送油,将活动台升起10mm左右,然后移动摆杆上的平衡铊20,使摆杆达到铅垂位置。再旋转度盘(或转动齿杆)使指针对准零点。这样做是为了消除上横头,活动立柱和活动台等部件的重量,因为这部分重量不应计入到试件所受的载荷上去.(二)操作步骤及注意事项1操作步骤(1)检查油路上各阀门是否处于关闭位置;换上与试件相匹配的夹头;保险开关应当有效。(2)根据所需最大载荷,选择测力度盘,装上相应的重锤。调整缓冲器。缓冲器的作用是保证在卸载时或者试件断裂时使摆锤缓慢回落,避
15、免撞坏机身。(3)装好自动绘图器的传动装置、笔和纸等。(4)开动油泵电动机,检查运转是否正常。然后打开送油阀门,向工作油缸中缓慢输油.待活动台上升10mm左右,将送油阀关到最小,旋转齿杆使测力指针和随动指针对准零点。加载时,测力指针带动随动指针一起转动;当卸载或试件断裂时测力指针迅速退回,而随动指针则停留不动,示出卸载时或断裂时的最大载荷值.(5)安装试件。压缩试件必须放置在下垫板的中心位置上拉伸试件则须调整下夹头位置,使上、下夹头之间距离与试件长度相适应,再将试件夹紧。试件夹紧之后,就不能再调整下夹头了.(6)实验完毕,关闭送油阀,并立即停车.然后取下试件(有时要在泄油之后,再取下试件,例如
16、非断裂实验)。缓慢打开回油阀,将油液泄回油箱,使活动台回到原始位置,并使一切机构复原.2注意事项() 开车前或停车后送油阀一定要置于关闭位置。加载、卸载和回油均须缓慢进行.() 拉伸试件夹住后,不得再调整下夹头的位置。() 机器开动时,操作者不得擅自离开.实验过程中不得触动摆锤.() 使用时,听见异声或发生任何故障应立即停车.(二)拉 伸 实 验一、实验目的1、测定低碳钢拉伸时的屈服极限,强度极限,延伸率和截面收缩率,测定铸铁拉伸时的强度极限。2、观察拉伸过程中的各种现象,并绘制拉伸图。比较低碳(塑性材料)与铸铁(脆性材料)机械性质的特点。二、实验设备液压式万能试验机,划线机和游标卡尺。三、实
17、验原理试件可制成圆形截面.图形截面试件如图21所示。试件中段用于测量拉伸变形,此段的长度称为“标距”.两端较粗的部分是头部,为了装入试验机夹头中传递拉力之用。试验表明,试件的尺寸和形状对试验结果均有所影响,为了避免这种影响,便于各种材料机械性质的数值能互相比较,所以对试件的尺寸和形状,国家给定出统一规定.根据国家标准金属拉伸试验试样GB6397-86,拉伸试样分为比例试样(图2-1)和定标距两种.比例试件是指标距长度与横截面积间具有下列关系的试件.式中系数K通常为5。65和11.3,前者为短试件,后者称为长试件.因此,直径为的短、长圆形试件中的标距长度分别等于5和10。拉伸试验方法采用国家标准
18、金属拉伸试验方法GB228-87。图21圆形截面试件试验时,利用试验机的自动绘制图器可绘出低碳钢的拉伸图(图22)和铸铁的拉伸图(图24).应当指出,绘图器绘出的拉伸变形是整个试件(不只是标距部分)的伸长,还包括机器本身的弹性变形和试件在夹头的滑动等。试件开始受力时,头部在夹头内的滑动较大,故绘出的拉伸图(图2-2)最初是一段曲线.对于低碳钢,弹性阶段(OA)呈直线段,载荷和变形成正比关系,虎克定律在此阶段使用。屈服阶段(B-C)常呈锯齿形.上屈服点B受变形速度和试件的形状等因素的影响较大,而下屈服点B则比较稳定,故工程上常以下屈服点对应的载荷作为材料屈服时的载荷Ps。确定屈服载荷Ps时,必查
19、读数表盘上测力指针的转动情况.材料在屈服阶段,载荷在某一范围(BC) 上下波动,但变形较大.一般规定测力指针回转后所指示的最小载荷为屈服载荷Ps.强化阶段(C-D) ,此阶段载荷和变形都逐渐增加。试件拉伸达到最大载荷Ps以前,在标距范围内变形是均匀的。当达到最大载荷Pb 时,测力指针开始后退,而随动指针则停留在载荷最大值的刻度上,归除的读数即为最大载荷Pb。颈缩阶段(DE) ,以最撒载荷D 点开始,试件在某一个位置开始颈缩。细颈出现后,截面迅速减少,继续拉伸所需的载荷也随之变小,直至E 点断裂为止。时间断裂的两面各成凹凸状(图2-3) 。图22低碳钢拉伸图铸铁是脆性材料,试件在承受拉力变形极小
20、时(图2-4),就达到最大荷载Pb而突然发生断裂。它没有屈服和颈缩现象。其强度极限远小于低碳钢的强度极限。图2-3 低碳钢试件断后的断口图 图24铸铁拉伸图 四、试验步骤1、试件准备为了便于观察标距范围内沿轴向的变形情况,用划线机在标距范围内每隔10mm(对长试件)或每隔5mm(对短试件)刻划一根线,将标距分成十格或(五格).用游标卡尺测量低碳钢标距两端 及两种试件中间着三个横截面处的直径,在每一个横截面内沿互相垂直的两个直径方向各测量一次取其平均值.用所测得的三个平均值得。用所测得三个平均值总最小的值计算试件的横截面积。计算时取三位有效数字。2、试验机准备根据低碳钢的强度极限和横截面积估计试
21、件的最大载荷。根据最大载荷的大小,选择合适的测力度盘。调整测力指针,对准零点,并使随动指针与之靠拢。同时调整好自动绘图器。3、安装试件先将试件只能状在试验机的夹头内,在移动下夹头是其达到适当的位置,并把试件下端夹紧。4、检查及试车请教师检查以上步骤的完成情况,然后开动试验机,预加少量载荷(对应的应力不能超过材料的比例极限)后卸载回 “零” 点,以检查试验机工作是否正常.5、进行试验开动试验机使之缓慢匀速岁低碳钢试件加载.注意观察测力指针的转动 、自动绘制情况和相应试验现象。当测力指针不动或倒退时,说明材料开始屈服,记录屈服载荷Ps 。试件端裂后停车,由随动指针读出最大载荷Pb,并记录下来。取下
22、试件。将断裂试件的两段对齐并尽量靠拢,用游标卡尺测量断裂标距段的长度 ;测量两端断口(颈缩)处的直径d1 ,应在互相垂直方向各测量 d1一次,取平均直径计算断口处横截面面积A1 。铸铁试验,开动试验机,并使绘图器工作,直至试件断裂为止.停车,记录最大载荷Pb 。6、结束工作取下试件和绘好的拉伸图。将试验机的一切机构复原。清理试验现场,将借用的仪器归还原处。五、试验结果的处理1、根据屈服载荷,及最大载荷计算屈服极限,强度极限。, 2、根据试验前后的标距长度及横截面面积计算延伸率及截面收缩率 。短 长比例试件的断后伸长率分别以符号、表示。若断口不在标距长度中三分之一区段内,根据国家标准金属拉伸试验
23、方法GB 22887,需采用断口移中的方法(即借计算机法将断口移至中间),以计算试件拉断后的标距长度。采用断口移中法时,试验前要将试件标距等份为十个格。试验后将拉断的试件断口对紧,见图25。以断口O为起点,在长段上取基本等于短段的格数的 B点,当长段所余格数为偶数时(图25) ,然后量取长段所余格数的一半得出C 点,将BC 段长度移到试左端,则移位后的为:图2-5 断口移中在长段上取基本等于短段格数的B 点后,若长段所余格数为奇数是(图25b)可在长段上量取所余格数减1后加1的一半,的C 点和C1点,移位后的分别为:和为什么要将断口移中呢?这是因为断口靠近试两端时,在断裂试件的较短一段上,必将
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